Лабораторная работа № 4 Исследование зависимостей состав – структура – свойства Для чугунов

Цель работы: изучение строения, состава и свойств передельных и машиностроительных чугунов; их классификация и применение.

Материалы и оборудование: коллекция нетравленых шлифов чугунов; металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO₃ в спирте).

1. Теоретическая часть

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и постоянные примеси – кремний, марганец, серу и фосфор.

Чугуны имеют более низкие механические свойства, чем стали, т. к. повышенное содержание углерода в них приводит либо к образованию твердой и хрупкой эвтектики, либо к появлению свободного углерода в виде графитных включений различной конфигурации, нарушающих сплошность металлической структуры. Поэтому чугуны применяются для изготовления деталей, не испытывающих значительных растягивающих и ударных нагрузок. Чугун находит широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Однако наличие графита дает и ряд преимуществ чугунам перед сталью:

– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);

– обладают лучшими антифрикционными свойствами (графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения);

– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);

– чугуны не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям, дефектам поверхности).

Чугуны обладают высокой жидкотекучестью, хорошо заполняют литейную форму, имеют малую усадку, поэтому они применяются для изготовления отливок. Детали, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.

Химический состав и в частности содержание углерода не характеризуют достаточно надежно свойства чугуна: структура чугуна и его основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.

Углерод в структуре чугуна может наблюдаться в виде графита и цементита.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;

2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относят белые чугуны, а ко второй – серые, ковкие и высокопрочные.

По назначению чугуны подразделяют:

1) на передельные;

2) машиностроительные.

Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.

1. Белые чугуны

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe₃C. Свое название они получили по специфическому матово-белому цвету излома, обусловленному наличием в структуре цементита.

Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в машиностроении используется редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов при нормальной температуре зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит». Образуется такая структура в результате ускоренного охлаждения при литье.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:

1) на доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3% углерода; состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода, состоят из ледебурита;

3) эаэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода, состоят из перлита, первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:

а – доэвтектический (ледебурит, перлит + вторичный цементит);

б – эвтектический (ледебурит);

в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)

Перлит в белом чугуне наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно распределенных в белой цементитной основе (рис. 4.1, а). Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ‑ ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4.1, б).

Структура заэвтектического чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (рис. 4.1, в). С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.